《電子技術(shù)應(yīng)用》
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中國IGBT市場現(xiàn)狀分析及全球市場規(guī)模預(yù)測

2017-01-08
關(guān)鍵詞: IGBT 晶體管 驅(qū)動式 功率

IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor),絕緣柵雙極型晶體管,是由BJT(雙極型三極管)和MOS(絕緣柵型場效應(yīng)管)組成的復(fù)合全控型電壓驅(qū)動式功率半導(dǎo)體器件, 兼有MOSFET的高輸入阻抗和GTR的低導(dǎo)通壓降兩方面的優(yōu)點。GTR飽和壓降低,載流密度大,但驅(qū)動電流較大;MOSFET驅(qū)動功率很小,開關(guān)速度快,但導(dǎo)通壓降大,載流密度小。IGBT綜合了以上兩種器件的優(yōu)點,驅(qū)動功率小而飽和壓降低。非常適合應(yīng)用于直流電壓為600V及以上的變流系統(tǒng)如交流電機(jī)、變頻器、開關(guān)電源、照明電路、牽引傳動等領(lǐng)域。

據(jù)博思數(shù)據(jù)發(fā)布的《2016-2022年中國IGBT功率模塊市場分析與投資前景研究報告》:2020年功率半導(dǎo)體全球市場規(guī)模有望達(dá)231億美元。2014年-2020年,平均增長率為6.4%。到2020年,市場規(guī)模有望是2014年的1.5倍。2020年以來,工業(yè)和汽車方面的需求將帶動市場發(fā)展,到2025年,功率半導(dǎo)體全球市場規(guī)模達(dá)339億1000萬美元,2020 年-2025年間,年平均增長率將達(dá)到8.0%。

工業(yè)領(lǐng)域,新能源、UPS、鐵路方面的功率半導(dǎo)體需求增加。日本、美國的光伏發(fā)電需求旺盛,風(fēng)力發(fā)電歐洲的需求較大。此外,工業(yè)用機(jī)器人、半導(dǎo)體生產(chǎn)設(shè)備等業(yè)務(wù)發(fā)展形勢較好,Servo電動機(jī)用IPM增加。鐵路方面,除中國市場以外,東南亞、印度、南美方面的投資較多。

在新能源、節(jié)能環(huán)?!笆濉币?guī)劃等一系列國家政策措施的支持下,國內(nèi)IGBT的發(fā)展獲得巨大的推動力,市場持續(xù)快速增長。2015年,國內(nèi)IGBT市場規(guī)模達(dá)94.8億元。

2020年以后,東南亞和中南美地區(qū)的電力設(shè)備等基礎(chǔ)設(shè)施投資有望變得活躍。因此,耐壓3.3kv以上的IGBT模塊的出貨量有望增加。

IGBT技術(shù)不斷發(fā)展,其結(jié)構(gòu)和工藝技術(shù)也發(fā)生了較大的變化。IGBT的結(jié)構(gòu)發(fā)展經(jīng)歷了穿透型(PT)、非穿透型(NPT)以及場終止型(TFS)。隨著結(jié)構(gòu)的不斷升級,其產(chǎn)品技術(shù)特性也得到了不斷發(fā)展,從在穿透型的IGBT升級到具有更快關(guān)斷速度、開關(guān)損耗更低以及更加耐用的非穿透型,再到芯片更薄、導(dǎo)通損耗更低以及開關(guān)損耗更低的場終止型。同時,功率器件模塊化技術(shù)也在不斷提升,伴隨著以MOS結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)的半導(dǎo)體器件技術(shù)的成熟,設(shè)計者將功率器件芯片與控制電路、驅(qū)動電路、過壓、過流、過熱和欠壓保護(hù)以及自診斷電路組合起來,密封裝在同一絕緣外殼內(nèi),這種將芯片與輔助電路組裝在一起的電路結(jié)構(gòu)叫做智能化功率半導(dǎo)體模塊(IPM),是現(xiàn)階段的發(fā)展熱點。

而在未來隨著新技術(shù)、新材料以及新工藝的不斷涌現(xiàn),CAD設(shè)計、離子注入、MOCVD、多層金屬化、納米級光刻等先進(jìn)工藝技術(shù)應(yīng)用到功率器件中,IGBT設(shè)計技術(shù)將不斷得到推動和提升。通過與這些技術(shù)緊密結(jié)合,IGBT的集成化趨勢更加明顯,將逐步向“IGBT子系統(tǒng)”方向發(fā)展。另外,新材料的應(yīng)用也將不斷成熟,摻As緩沖層IGBT以及SiC IGBT將成為未來IGBT的重要發(fā)展發(fā)向,以促使產(chǎn)品更加適應(yīng)高頻、高速、高壓以及高功率的應(yīng)用。

IGBT技術(shù)的發(fā)展目標(biāo)是:大電流、高電壓、低損耗、高頻率、功能集成化和高可靠性。傳動領(lǐng)域(如電力牽引機(jī)車)和智能電網(wǎng)領(lǐng)域都需要大功率IGBT的應(yīng)用,英飛凌、東芝、三菱、西門子等公司高壓IGBT器件已可做到6.5 kV,ARPA.E(先進(jìn)能源研究計劃署)更是推出了SiC.IGBT模塊,電壓能達(dá)到15 kV。

一段時間以來,IGBT的工作頻率限制在50 kHz以下,而許多開關(guān)電源需用到更高的頻率,而高頻領(lǐng)域基本是功率MOSFET的天下。英飛凌生產(chǎn)的High Speed 3 1.2 kV IGBT的開關(guān)工作頻率可達(dá)60 kHz。美國IR公司(WARP系列)和APT公司(GT系列)600 V IGBT器件,其硬開關(guān)工作頻率可達(dá)150 kHz,諧振逆變軟開關(guān)電路可達(dá)300 kHz。其開關(guān)特性已接近功率MOSFET.而電流密度則為MOSFET的2.5倍,即相同電流時其硅片面積大大減小,因此成本有所降低。

IGBT芯片發(fā)展趨勢是:薄片工藝.主要是減少熱阻,減小襯底電阻從而減小通態(tài)損耗 、管芯,主要是提高器件電流密度,十余年來管芯面積減少了2/3;大硅片,硅片由5英寸變?yōu)?2英寸。面積增加了5.76倍.折算后每顆芯粒的成本可大為降低;新材料,主要以SiC和GaN寬禁帶半導(dǎo)體材料為代表。

IGBT產(chǎn)業(yè)的發(fā)展一直在尋找成本和性能的平衡點。目標(biāo)是尋找最合適的產(chǎn)品及最低的成本,而對于最合適產(chǎn)品的定義是.特性滿足客戶需求且特性針對應(yīng)用裕量足夠。對于成本控制要求嚴(yán)格的市場,不斷探索降低成本的關(guān)鍵.涉及代工廠選址及一些成本控制。而對于價格不是很敏感的市場,則是不斷優(yōu)化器件特性,發(fā)展最前沿技術(shù),重心放在產(chǎn)品質(zhì)量和可靠性上。

節(jié)能減排,低碳經(jīng)濟(jì)勢必推動功率半導(dǎo)體市場的繁榮,而IGBT是功率半導(dǎo)體的技術(shù)前沿。未來幾年全球IGBT市場規(guī)模將成穩(wěn)步上升的趨勢,預(yù)計到2022年全球IGBT市場規(guī)模將達(dá)到80.2億美元,電動汽車與新能源產(chǎn)業(yè)將是全球IGBT產(chǎn)品需求增長的重要推動力。


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